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新穎高效率太陽能電池之研究

太陽光長期以來一直被視作永恆的能量來源，因此與太陽能相關的技術得以迅速地蓬勃發展，而其中以太陽能電池更是被廣泛地研究和討論。在本論文中，我們主要是根據不同電池材料的組成提出許多新穎的結構來提升太陽能電池的轉換效率。首先，我們已經成功地證明結合二維矽奈米柱(線)陣列和斜向銦錫氧化物薄膜的新穎抗反射膜對於入射光有大角度、寬頻譜的強吸收率，因此能有效提升該太陽能電池的轉換效率。第二，我們利用數值模擬方法分析出一不靠外部(雜質)摻雜、僅利用漸變氮化銦鎵的銦含量來製作單一接面滿足全光譜響應的高銦含量三族氮化物 n-i-p 太陽能電池。最後，我們提出利用硒化鎘量子點調製太陽光譜來提升磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯式太陽能電池的轉換效率。本論文依照各個章節不同的研究主題和使用方法將摘要進行分類，其分類如下：

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低成本高效率太陽能電池元件使用漫反射鏡之模擬研究

還有學弟嚴聖倫，謝謝你經常陪我、幫我做實驗，一起腳短，一起帶賽。謝謝陳柏宇帶好吃的家鄉伴手禮來，還幫臭鼻頭澆水曬太陽。以及朱念平學弟這麼任命的幫度過爐石難關。此外，也要感謝新竹國家奈米實驗室謝嘉民博士，提供我充分的資源與製程機台讓我能沒有在太多顧慮的情況下能全心全意的作實驗，沒有他全力支持我的研究，就沒有撰寫這篇論文的機會以及這一年來寶貴且難忘的半導體製程實作經驗。也謝謝奈米元件實驗室工程師沈昌宏研究員、黃文賢、吳宗達及楊智超副研究員等大師們，由於你們的大力相助與廣大的人脈，讓我在無塵室內做實驗能無往不利，而也很感謝你們在實驗上對我的指導及使用實驗儀器上的幫助，你們的經驗與指教幫助我度過不少難關。也很感謝博士班的高明璿學姐，在過程當中的引領與陪伴，在很多關鍵的問題上提供想法與解答；而你們在太陽能電池製程提供許多的寶貴經驗與意見也著實讓我受益良多。也謝謝NDL實驗室的好同學們，

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高效率多接面疊接太陽電池的新型材料研究

前言與研究目的由於石化能源逐漸耗竭，新的能源技術的開發勢在必行。在多種能源技術中，太陽能電池光伏特技術是一個有希望的重要技術。目前太陽能電池技術的問題仍在於電池的成本。使用聚光型太陽電池技術可以降低電池的面積及其在整體模組成本中的比率。在這種條件下，使用高效率太陽能電池將具有優勢。目前具有最高效率的太陽能電池為多接面三五族半導體太陽能電池。基本上這是以GaAs相關材料為基礎的技術[1-2]，分別利用InGaP (1.85 eV)、GaAs (1.42 eV)與Ge (0.67 eV)三種具不同能隙的接面電池來吸收太陽光譜，其電池理想轉換效率在50%。然而實際所能達到的最佳值大約在37%左右[3]。過去用於太空衛星之發電，但近年來開始逐漸進入地面之應用。國際上美國之spectrolab公司、NREL實驗室、Emcore公司、德國之Fraunhofe太陽能系統研究所、日本Toyota、Sharp等公司都致力這方面的研究。國內則以核能研究所為主要研究單位。由於這種太陽電池的製程磊晶技術與發光二極體類似，故國內相關公司也已或即將投入這項技術的開發生產。這項技術具有產業應用的潛力。

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三族氮化物太陽能電池研究

五、結論本研究嘗試自行以有機化學氣相沈積磊晶製程方式製作三族氮化銦鎵磊晶薄膜，其後做量測分析其品質結果，發現改變 InGaN 上層的 capping 材料將會影響整體結構特性，也因此選擇對的材料與結構設計也就相對顯得重要了，另外針對氮化銦鎵或氮化銦（InGaN/ InN）磊晶薄膜之摻雜銦（In）含量差異進行深入研究探討後，其中摻雜之應力鬆弛可能導致 XRD 結果之半高寬過寬，相對地磊晶薄膜品質也就較差，主要原因為銦的摻雜不能均勻分佈至磊晶薄膜內。本研究未來將持續不斷的嘗試不同的製程方式與材料，以提升磊晶薄膜品質特性，此方面研究有助於提供未來三五族化合物太陽能電池之實際上的製作與參考。

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太陽能電池安裝角度與電能輸出之研究

利用天文計算方式，計算出於任何時間地點太陽的位置與天空晴朗時的日照強度變化，找出太陽能電池安裝時的最佳位置，其結果在理想狀態下所得反而不易造成誤差。本文對太陽能電池電力的模擬分析，依賴數學模式精確地計算出其在任何位置時之傾斜角度與方向的電力輸出，是本文研究的目的。

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以光場增強效應提升薄膜太陽能電池吸收效率研究

在這裡，Purdue Univ. & U. of Washington 發表：（1）討論所謂的 Shockley-Queisser 轉換效率極限和用來計算它的假設條件（2）通過修改詳細的平衡計算，包括 Shockley-Read-Hall 材料中和接面複合，提出新的和簡單的模型去計算奈米光伏照明的實際轉換效率極限。一般來說“Shockley- Queisser 極限＂為一個理想之單一能隙太陽能電池的轉換效率極限。然而，取決於選用的太陽能頻譜和背面折射指數，（後者的意義，尤其是低估），結果將有巨大的變化。他們發現，最合理的轉換效率極限值與原來報告的 Shockley-Queisser 顯著不同，他們也報告了當前最高記錄的光伏設備相對於 Shockley-Queisser 轉換效率極限的差異，並研究 FF , J SC , V OC , 的實際和理論極限值的不同。此外，

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利用氫氣回火鈍化對矽晶太陽能電池效率提升的研究

電市場，另外日本和義大利對太陽能發電需求增加，未來全球太陽光電發展將持續成長，表 1-1 是 2013 年全球主要 PV 市場的展望。 1-2 太陽光電發展的機會與挑戰太陽光電發展的機會與挑戰太陽光電發展的機會與挑戰太陽光電發展的機會與挑戰根據美國研究機構Lux Research的最新報告指出，雖然2008年第四季全球太陽能供給已超過0.4 GW，而至2009年供給過剩將達3.9 GW，但即使目前是處於供給過剩的情況，全球太陽能電池市場規模仍舊會延續成長力道，在積極的產能擴張與多晶矽取得率高之驅動下，太陽能電池市場的新安裝數預估將從2008年的5.6 GW爬升至 2013年的23 GW，也就是說成長近4倍之多，年複合成長率將達43%。

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高效率小分子太陽能電池之分子結構設計與研究

在本研究中，我們合成一系列可以溶液製程的小分子，分別使用 2,2’-bithiophene(BTh), terthiophene (TTh),和 thiobarbituric acid (TB) 單元作為核心，π 架橋，及末端單元，但依據核心碳鍊長度的不同，分為 TBTThBTh-H ， TBTThBTh-C4 ， TBTThBTh-C8 ， TBTThBTh-C12，並研究此系列小分子的堆疊和塊狀異質接面的關聯性質以及光伏特性，且發現在薄膜中的堆疊與碳鍊長度具相關性。我們使用掠角 X-光分析作為層狀堆疊觀察的驗證，而在延長碳鍊後的效率結果依碳鏈遞增呈鋸齒狀排列，使 TBTThBTh-H 和 TBTThBTh-C8 有較高的效率表現。使用掠角 X-光分析觀察塊狀異質接面的堆疊，發現小分子上的碳鍊長度對結晶性有顯著影響，若有較均值的碳鍊或較短的碳鏈，會有較佳的分子間作用力，致使結晶性較佳。

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新穎性奈米結構太陽能電池元件之製作與特性研究

However, nanoparticles dye sensitized solar cells (DSSCs) rely on the trap-limited diffusion for electron transport, a slow mechanism that can limit device efficiency..[r]

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提升染料敏化太陽電池光電轉換效率之研究

第 5.1 節節節節加裝反射裝置加裝反射裝置加裝反射裝置加裝反射裝置的的的的結論結論結論結論綜合歸納第 4.1 節的實驗測試數據分析，我們在本節中所獲致的結論，簡扼敘述包括以下所列的幾點：本論文第一部分「強化入射光量裝置」係在原有之染料敏化太陽電池封裝技術上，將工作電極、對電極、透明導電基板、電解液、封框膠及透明導電基板等元件結合，再以精密焊接技巧或封框膠將 DSSC 及反射裝置固定在機構基座。其中反射裝置可將與電池平行入射光藉由反射面的配置，將光線反射入染料敏化太陽電池。反射裝置與水平面的夾角（傾斜角度 Ψ ）係呈 60 o 狀態，藉以達到吸收最佳的入射光角度，完成的作品如圖 5.1 所示。未來將可能在現有的理論基礎與設計架構下，開發出「具有強化入射光量裝置之 double DSSC 」，如圖 5.2 所示；或是從改變反射裝置的設計著手，研發出「反射面為非平片、非單一角度平面之 DSSC 」，作品的設計構想如圖 5.3 所示；亦可再更進一步的研析「柱狀電池搭配圓椎狀反射面之新型 DSSC 」，作品的設計構想如圖 5.4 所示。

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共軛高分子太陽能電池之材料合成與研究

A3-4. 電化學性質—氧化還原電位測量為了探討應用於元件的有機材料，我們先建立能階圖，用以得知我們選用的材料特性，預測電子與電洞分離的位置及電子轉移的效果。在此使用循環伏安法(cyclic voltammetry, CV )，當外加電位達到待測物的反應電位時，氧化或還原反應隨即發生，此時電流將隨著電位的變化而改變。而電流的大小是由物質到電極表面的擴散速率所控制，所以當擴散速率遠小於外加電位的變化速率，且電極表面的反應已趨完全時，此時電流即衰減下來。Table A-5 為 pCTDDP 的 CV 數值的整理。

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疊合式金氧半太陽能電池之研究

軒軒、明叡、嘉佑、力綸、啟仁、智猷......等。從大學甚至是從高中以來，大家總是在我遇到挫折跟問題的時候給我最大的支持跟鼓勵，在成功的時候與我分享成功的喜悅，進而完成這兩年的碩士學業。接下來要感謝我的指導教授李柏璁老師，感謝老師在這兩年間對我的指導。在學術研究上有老師的指引，我最後才能順利完成碩士學業。在人生的規劃上老師。此外要感謝的是實驗室的夥伴們，盧贊文、張資岳、光揚、家揚、林怡先、蕭逸華、何韋德......等。特別是博士班學長張資岳，對我的整個論文題目的研究給予很多的幫助並且共同解決了許多面對到的問題。除此之外，學弟張均隆也常常被我抓去一起做實驗，對於整個實驗數據也盡了很大的一份力。

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利用新穎材料提升氮化鎵太陽能電池的效率

v Acknowledgements 兩年的碩士班生涯一下子就走到終點了，現在還依稀記得第一次踏進實驗室的感覺，當初會選擇這間實驗室是因為感覺實驗室氣氛融洽，而且可以學習到很多知識，現在也驗證當初的選擇是對的。首先，我要感謝郭浩中教授和謝嘉民教授，老師的耐心指導以及提供寶貴的意見，讓我在碩士班這個階段學習到很多做研究和分析實驗的結果。這些教授們提供的無價之寶我相信在未來的道路上依舊受用無窮，也謝謝郭老師提供我很好的研究環境，還有平實的鼓勵與勉勵，讓我在這兩年能夠順順利利在研究上面有成果。

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新穎倒置結構之有機太陽能電池

III 摘要本研究主要是探討一種倒置結構之有機太陽能電池，此倒置結構之元件，擁有氧化鋅薄膜作為一個電子傳輸層，鍍上 P3HT:PCBM 作為光反應層，並利用 PEDOT:PSS 當作電洞傳輸層，最後蒸鍍上銀電極。相對於傳統式的有機太陽能電池，倒置結構使用功函數較高的電極，移除了原本較低功函數容易產生氧化的鋁電極，可以有效地提升有機太陽能電池的壽命。本文中探討了紫外光對於氧化鋅電子傳輸層產生的效應，以及對倒置太陽能電池元件效率的影響，並量測電子電洞的結合效率。此外，我們還介紹了使用石墨烯氧化物以及石墨烯在倒置有機太陽能電池中作為一個電洞傳輸層，取代了傳統的 PEDOT:PSS，並且展現了不錯的效率。最後，

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高穩定性及高效率矽薄膜太陽能電池

致謝兩年的研究生生活很快地落幕了，我也如期完成了這篇論文。首先，我要感謝我的指導教授謝嘉民博士，讓我學習到很多專業的知識及做人處事的態度。此外，也要感謝戴寶通博士、郭浩中教授、黃中堯教授及沈昌宏博士，提供我不少寶貴的意見，讓我的論文內容能夠更加地完善。接下來要感謝國家奈米元件實驗室的昭凱大哥、文賢大哥、文謙大哥、彥佑大哥、耿正大哥的幫忙，讓我在實驗的進行及論文的撰寫上都能夠十分的順利。感謝建華學長、宥浦學長、睿中學長、

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高效率薄膜太陽能電池之元件製作與分析

胡志瑋學長、陳仕承學長、李勝凱學長，感謝學長們平日對我的照顧以及研究上的建議。也要感謝實驗室一起工作的同學－王超駿、王派璿、廖述穎、吳凱庭、羅元駿、鄧貴宇、江成能、薛培堃、鄭逸立、林威廷、林儀倡、陳聖錡、竹立煒、蔡尚祐、郭豫杰、陳思維、張繼聖等，以及學弟－黃志文、黃宥豪、張耿維、王信淵、蔡侑廷、張耀峰、謝介銘、蘇智昱、鄧立峯、楊維哲、黃羿霖…等，感謝你們陪伴我共同走過這一段甘甜的日子，讓我無論是在實驗中或是讀書時永遠充滿歡樂。同時，衷心感謝國家奈米元件實驗室(NDL)和交大半導體中心提供良好的研究設備與充足的資源。

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高效率單接面非晶矽薄膜太陽能電池

特別感謝博士後研究員徐振航博士、畢業學長顏國錫博士在我遇到實驗與機台的問題所給予的協助。讓我順利完成我的碩士研究。也感謝博士班黃彥棠學長、梁辛瑋學長。感謝一起努力過的碩班學長姊們。達欣學長、建敏學長、鈞銘學長、淑玲學姊、威豪學長、玉玫學姊、慶能學長、煥之學長、芳弘學長教導過我實驗機台的操作和實作經驗。沒有學長姊們所打下的深厚基礎，我想也不能順利的完成碩士論文。而我的好戰友們，宏榮、翼鵬、建亞，除了分享作研究的心得外也為苦悶的研究生生活帶來不少歡笑。而其他實驗室同學，明哲、琇文、庭毓、世益、怡萍、奕文、智凱、家新、雋正謝謝你們陪我聊天和分享實驗室資訊。此外感謝工研院的陳俊亨先生協助我們量測太陽能電池的效率。

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新穎矽量子點薄膜應用於太陽能電池之開發

開發具有多重能隙的多接面元件結構以有效減低光損耗是不可或缺的要件。有鑒於矽量子點的獨特光學特性，我們提出並開發『漸變矽過多氧化矽多層膜』與『氧化鋅矩陣材料整合』，期望能在保有矽量子點特性下，同時克服目前應用於 SC 所遭遇的載子傳輸效益明顯受限的瓶頸，以製作出更具應用潛力的新穎矽量子點薄膜。此篇論文首先即介紹 SC 的重要性和發展現況，與目前矽量子點應用於 SC 的優勢與挑戰，並提出我們的研究目的且簡介此研究過程中的相關製程與分析儀器。

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高效率透明有機太陽能電池探討及其應用

不論是哪種方式，都取決於中間電極或透明電極的優劣。在一開始較多的透明電極研究是應用在OLED [25, 26] 以及PLED [27, 28] 上，利用透明電極來達到上發光的特性，以為了將來可以將元件製作應用在軟性可撓基板上。而針對有機太陽能電池的部份，其實在 1990 年時，M. Yokoyama等人便提出了tandem的結構(見圖 1-14) [29] ，利用金(Gold)＜3 nm來當作中間電極應用，藉著連結兩個有機太陽能電池，以及保持讓光能夠穿透到下層的有機層吸收來達到提高效率的想法。而後也有研究團隊利用超薄的銀來當作透明電極的應用(見圖 1-15) [23] 。目前的最好的有機太陽能電池效率表現是以高分子Bulk hetero-junction結構的太陽能電池，其利用在Tandem的製程上，並不是如想像中的這麼好製作，此種結構會因為如果材料本身薄膜製程是利用溶劑成膜的話，會因為在中間透明電極的部分有可能太薄，在中間電極金屬上成膜的時候，而導致上層的有機材料之溶劑會穿過此薄膜金屬而溶解到下層的有機材料，所以勢必要增加中間金屬電極的厚度來保護下層的有機材料避免被溶劑溶解，但是如此就失去了中間電極能夠透光的意義，因為金屬是具有不透光的特性，當其厚度如果增加的太高的話，的確是可以有保護下層有機材料的效果，但如果是需要光穿透過此透明電極之後，來讓上層有機材料也可以有吸光的能力的話，便會因為這個太厚的金屬薄膜，而大打折扣。

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CdS/CdSe 共增感高效率量子點敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池 (Dye-sensitized Solar Cells, DSSCs)是近年來新開發的一種低成本且高光電轉換效率的太陽能電池 [1] 。本研究利用半導體量子點 (quantum dots, QDs)作為一種“無機染料”，採用化學浸泡沉積法 (chemical bath deposition, CBD)將CdS、CdSe量子點合成並組裝在奈米中孔性的TiO 2 薄膜上，應用於量子點敏化太陽能電池。

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